Rádioaktivita

Na vykonanie testu bol použitý fotografický film, ktorý vplyvom týchto lúčov sčernel. Experiment ukázal, že slnečné žiarenie nie je potrebné na to, aby testovaný materiál film sčernil. To však odporovalo pôvodnej hypotéze, a tak bolo potrebné vykonať ďalší výskum. Tentokrát bolo úlohou potvrdiť alebo vyvrátiť röntgenové žiarenie ako faktor spôsobujúci zmenu filmu. Využil sa fakt, že röntgenové lúče nenesú žiadny náboj, teda nie sú ohýbané magnetickým poľom. Becquerel umiestnil materiál obsahujúci urán a fotografický film do vákuovej komory umiestnenej v magnetickom poli. V dôsledku experimentu sa zistilo, že lúče vyžarované testovanou vzorkou sa ohýbajú v magnetickom poli, čo znamená, že nie je to isté ako röntgenové lúče. V priebehu pokračujúceho výskumu vedec ukázal, že existujú tri typy žiarenia, ktoré môžu materiály vyžarovať – neutrálne, kladne nabité a záporne nabité. Na základe týchto predpokladov ďalší výskumníci predložili svoje tézy a vykonali ďalšie experimenty. Maria Skłodowska Curie a Pierre Curie objavili ďalšie rádioaktívne prvky: polónium a rádium. Ernest Rutherford, nositeľ Nobelovej ceny za chémiu , tiež venoval časť svojej kariéry rádioaktivite a pomenoval typy žiarenia objavené Becquerelom gréckymi písmenami abecedy: alfa, beta a gama.

Odkiaľ pochádza rádioaktivita?

Výskum ukázal, že rádioaktivita je znakom niektorých prvkov. To naznačuje jeho úzky vzťah s ich atómovou úrovňou a konkrétnejšie – s atómovým jadrom. Každý z troch typov žiarenia je kvantum energie, ktoré môže vyžarovať nestabilné jadro. To znamená, že žiarenie je vlastne výsledkom ich rozpadu. Výskyt takýchto nestabilných jadier je v praxi spôsobený pomerom protónov a neutrónov. V dôsledku rôznych typov nestability existujú aj rôzne typy žiarenia. Kľúčom k pochopeniu rádioaktivity sú izotopy a ich rozdiely na atómovej úrovni. Napríklad najbežnejší izotop uhlíka ^12C nie je rádioaktívny, zatiaľ čo ^14C je rádioaktívny. Ich atómové číslo , a teda aj počet protónov, je rovnaký. Rozdiel tiež nemôže byť spôsobený počtom elektrónov, pretože atóm by potom bol kladne alebo záporne nabitý ión. Jedinou možnosťou sú v prípade izotopov rozdiely v počte neutrónov v jadre. ¹⁴ C má o dva neutróny viac ako ¹² C, preto je aj ťažší. Existencia izotopov pre všetky prvky znamená, že aj počet rádioaktívnych jadier je veľký. Takéto nestabilné a rádioaktívne izotopy sa nazývajú rádioizotopy, ale ich prevalencia nie je taká vysoká ako v periodickej tabuľke prvkov .

Prečo môže byť jadro nestabilné?

Protóny a neutróny v jadre sú vystavené veľkým jadrovým silám, ktoré ich držia pohromade, čím prekonávajú elektrostatické odpudzovanie medzi protónmi. Na rozdiel od protónov majú neutróny pozitívny vplyv na posilnenie jadrovej sily. Ukázalo sa, že pomer počtu neutrónov k protónom by mal byť približne 1,5:1. Pre ľahšie atómy pod 20u je stabilný pomer 1:1. V opačnom prípade majú jadrá tendenciu rozpadať sa. Všetky izotopy prvkov s atómovou hmotnosťou nad 208 sú nestabilné.

Obrázok 1 Graf oblasti stability v závislosti od počtu nukleónov v jadre. Zdroj: http://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability

1. Alfa rozpad, najmä v masívnych jadrách, emituje dva protóny a dva neutróny,
2. Beta mínus rozpad, keď jadro má príliš málo protónov, čo vedie k emisii elektrónov,
3. Beta plus rozpad, ak má atómové jadro prebytok protónov, s emisiou pozitrónov.

Tieto typy rozpadov zahŕňajú zmenu počtu protónov v jadre, a teda aj zmenu chemického prvku z jedného na druhý.

Alfa (α) žiarenie

Experimentálne v roku 1909 E. Rutherford a T. Royds ukázali, že častice alfa sú identické s iónmi hélia. Po prechode alfa žiarenia cez tenké steny vákuovej komory to jasne potvrdil obraz spektrálnych čiar na optickom spektrometri získanom v plynovej komore. Napríklad jadro ²⁴⁰ Pu podlieha žiareniu alfa podľa reakcie: Alfa žiarenie sa vyznačuje kladne nabitými časticami s dosahom niekoľkých centimetrov vo vzduchu a veľmi nízkou priepustnosťou. Zastaví ich kúsok papiera.

Beta (β) žiarenie

V prípade beta-mínus žiarenia sú emitované elektróny prichádzajúce z jadra. Keďže jadrá sa nevyznačujú prítomnosťou elektrónov, vznikajú až pri rozpade a okrem nich sa emituje aj druhá častica – elektrónové antineutríno. V dôsledku zvýšenia počtu protónov v molekule sa prvok rozpadu beta transformuje na iný prvok s vyšším atómovým číslom. Príklad priebehu rozpadu je v súlade s týmto mechanizmom: Toto žiarenie sa vyznačuje negatívne nabitými časticami s dosahom niekoľko desiatok centimetrov vo vzduchu a väčšou priepustnosťou v porovnaní s alfa žiarením. Zastavuje ho hliníkový plech s hrúbkou asi 3 až 4 mm. Beta-plus rozpad prebieha podobne, ale emituje pozitrónové častice a elektrónové neutrína. Počet protónov v jadre klesá a prvok, ktorý ho podstúpi, sa premení na iný s nižším atómovým číslom, ako v príklade:

Gama (γ) žiarenie

Je to jediný druh žiarenia, ktorý nemení prvok na iný, pretože nevyžaruje žiadne častice, iba samotné gama žiarenie. Je to jeden z typov elektromagnetických vĺn, podobne ako infračervené alebo ultrafialové svetlo, ale vlna gama žiarenia je najkratšia. Proces rozpadu spôsobuje prechod excitovaného jadra atómu do stavu s nižšou energiou, výsledkom čoho je emisia fotónov s energetickým ekvivalentom jadra atómu v jednotlivých stavoch. Diagram priebehu gama rozpadu možno zapísať ako: Charakteristickým znakom gama žiarenia je jeho identifikácia s elektromagnetickým vlnením vysokej frekvencie a svetlu podobného charakteru. Dosah vo vzduchu je teoreticky neobmedzený, pričom priepustnosť je najväčšia zo všetkých typov rádioaktivity. Zastaví ho len hrubá stena alebo pätnásťcentimetrová vrstva olova.