Rozpad promieniotwórczy pierwiastków

Budowa wszechświata a rozpad promieniotwórczy

W wyniku budowania się Wszechświata, powstało kilka pierwiastków, które charakteryzują się predyspozycjami do przemian jądrowych. Każdy rozpad promieniotwórczy który możemy opisać, jest w stanie wykazać nam wiele informacji na tematy związane bezpośrednio z danym jądrem – jego budową, występujących stanach energetycznych oraz oddziaływaniach, ale również dostarczają informacji na temat pochodzenia Wszechświata. Empirycznie potwierdzono istnienie trzech głównych typów promieniowania, podzielonych ze względu na zdolność do przenikania przez materię:

1. Alfa (α) – będące jądrami helu, posiada niewielką przenikalność, która charakteryzuje się w praktyce trudnością w przenikaniu cienkiej kartki papieru;
2. Beta (β) – które opisuje się w postaci elektronów lub pozytonów o tej samej masie, jednak o przeciwnym ładunku, jest w stanie przenikać aluminium na głębokość około 3mm;
3. Gamma (γ) – odpowiadające fotonom, posiada największe zdolności do przenikania, porównywalne do penetracji ołowiu na głębokość dwóch lub więcej centymetrów.

Historia rozpadów promieniotwórczych

Rozpady promieniotwórcze początek swojej historii zawdzięczają Antoine Becquerel’owi, który w 1896 roku zaobserwował, że wprowadzenie skały bogatej w uran do zamkniętego pudełka z kliszą fotograficzną powoduje jej zaciemnienie. Stwierdził, że jest to wynikiem emisji niewidzialnych gołym okiem promieni. Z dzisiejszą wiedzą na ten temat możliwe jest podanie co najmniej trzech argumentów sugerujących pochodzenie jądrowe takich promieni:

1. Stan chemiczny – postać danego pierwiastka w stanie wolnym lub w związku chemicznym, nie wpływa na jego zdolność do promieniotwórczości;
2. Wpływające na elektrony w atomie czynniki zewnętrzne – takie jak ciśnienie czy temperatura, nie wpływają na właściwości promieniotwórcze;
3. Znane powszechnie przejścia elektronowe w atomie – nie generują tak ogromnych pokładów energii, sięgających nawet milionów elektronowoltów.

Promieniowanie aktualnie uznaje się za procesy natury jądrowej, w wyniku których masa zamienia się w energię.

Promieniowanie alfa, beta i gamma

Możliwe do obserwacji są właściwości elektryczne promieniowania, dzięki ich ruchom w jednorodnym polu magnetycznym. Utożsamienie każdego typu promieniowania z odpowiadającymi im molekułami oparte jest o wzór na siłę magnetyczną Lorentza.

Zakładając poziomą emisję z punktu źródła promieniotwórczego, dodatnio naładowane cząstki są odchylane ku górze, ujemne – w dół, natomiast cząstki nienaładowane przechodzą przez pole magnetycznie nie wpływając na tor emisji. Promieniowanie alfa odpowiada emisji jądra helu ⁴He. Promieniowanie beta może odbywać się dwojako – w postaci elektronów (β^–) oraz pozytonów (β⁺). Promieniowanie gamma określa natomiast wysokoenergetyczną emisję fotonów.

Rozpad alfa

Charakteryzuje ciężar i niestabilne chemicznie jądra. W trakcie rozpadu dochodzi do utraty przez jądro dwóch protonów oraz takiej samej liczby neutronów, co skutkuje obniżeniem jego liczby atomowej o dwa i liczby masowej o cztery jednostki. Powstaje natomiast w wyniku tej przemiany atom helu. Jądro, które emitowało, nazywa się jądrem pierwotnym, a powstałe w trakcie rozpadu – jądrem potomnym. Podstawowy zapis rozpadu promieniotwórczego typu alfa można przedstawić jako:

W takim zapisie pierwszy człon, czyli stanowi jądro pierwotne, natomiast jądrem potomnym jest  natomiast  jest cząstką alfa.

Przykładem rozpadu alfa może być przemiana, której ulega izotop uranu ²³⁸U, a w trakcie której liczba atomowa zmniejsza się o dwa. Rozpad można zapisać w postaci równania:

Energia, która jest uwalniana w trakcie rozpadu alfa jest równa energii kinetycznej jąder helu oraz toru. Ze względu na masę jąder toru, a więc i mniejszą ich prędkość, energia kinetyczna jąder helu jest większa.

Rozpad beta

Może zachodzić dwojako – z emisją elektronów lub pozytonów. Ich ładunki są przeciwne, jednak masa identyczna, stąd czasami pozyton może figurować pod nazwą antyelektron. Rozważając rozpad promieniotwórczy beta zazwyczaj posługiwano się modelem molekuły (elektronu lub pozytonu) związanej w jądrze, która ucieka z niego w trakcie rozpadu. Takie założenie zostało jednak podważone, gdyż wykorzystując zasadę nieoznaczoności Heisenberga, obliczono energię kinetyczną elektronu rzędu kilkunastu GeV. Empirycznie udowodniono jednak, że jest ona rzędu kilku megaelektronów. Oznacza to, że rozpad beta polega nie na ucieczce molekuły, ale na przemianie jednego nukleonu w inny. Rozważając rozpad neutronu możemy zaobserwować takie przejście:

Elektron, zapisywany jako  posiada liczbę masową równą 0 oraz liczbę atomową. Oznacza to, że jest praktycznie bezmasową cząsteczką o ładunku ujemnym. Proton posiada obie liczby równe jeden. Obecność neutrino (v) jest konieczna ze względu na prawa zachowania energii i pędu. Takie przemiany zachodzące w jądrze powodują słabe oddziaływania jądrowe. Izotopem ulegającym rozpadowi beta jest na przykład , który rozpada się przez emisję β^–, zgodnie z równaniem:

Odwrotnemu procesowi, z wytworzeniem pozytonu, ulega natomiast min. izotop glinu :

Rozpad gamma

Mianem rozpadu gamma określa się rozpad, do którego dochodzi w przypadku przejścia wzbudzonego jądra do stanu o niższej energii, skutkujące emisją fotonów. Taka przemiana jest analogiczna do przechodzenia elektronów na niższe poziomy energetyczne, a zapisać ją można symbolicznie, gdzie * oznacza stan wzbudzony:

W trakcie rozpadu gamma zmianie nie ulega liczba masowa i atomowa. Jedyną zmianą jest typ jądra.

Pierwiastki promieniotwórcze

Ich atomy rozpadają się samorzutnie, emitując przy tym cząstki lub promienie. Często towarzyszy temu również wydzielenie ciepła oraz światła. W naturze odnajduje się cztery grupy pierwiastków promieniotwórczych – torowce, neptunowce, uranowce i aktynowce, gdzie nazwy pochodzą od pierwiastków macierzystych. Przykładami mogą być:

1. Polon – będący produktem rozpadów atomowych, najczęściej uranu-238. Jest źródłem promieniowania typu alfa i stosuje się go jako źródło energii satelitów.
2. Radon – powstały w wyniku rozpadu radu, którego izotop o masie atomowej 222 wykorzystywany jest w trakcie leczenia ciężkich przypadków raka.

Szereg promieniotwórczy

Przyjmuje się, że wszystkie jądra o liczbie atomowej wyższej od 82 są mało stabilne i ulegają spontanicznemu rozpadowi. Większość z nich charakteryzuje się również krótkim okresem życia, a więc nie są spotykane w naturze. Istnieje jednak kilka ważnych wyjątków, takich jak  oraz , których czas połowicznego rozpadu to kolejno 1,39·10¹⁰ lat i 7,04·10⁸ lat. Rozpadanie się ciężkich jąder może prowadzić do długiej serii rozpadów, gdyż każde powstałe jądro potomne może znów zostać jądrem pierwotnym kolejnego rozpadu, aż do wytworzenia stabilnego jądra. Taki proces nazywa się szeregiem promieniotwórczym.