Radioaktivitet

För att utföra testet användes en fotografisk film, som svartnade under påverkan av dessa strålar. Experimentet har visat att solstrålning inte är nödvändig för att testmaterialet ska svärta filmen. Detta motsäger dock den ursprungliga hypotesen, så ytterligare forskning måste genomföras. Den här gången var uppgiften att bekräfta eller förneka röntgenstrålar som den faktor som orsakade förändringen i filmen. Det faktum att röntgenstrålar inte bär någon laddning, så att de inte böjs av magnetfältet, användes. Becquerel placerade ett material innehållande uran och den fotografiska filmen i en vakuumkammare belägen i ett magnetfält. Som ett resultat av experimentet upptäckte man att strålarna som sänds ut av det testade provet böjer sig i magnetfältet, vilket innebar att det inte var detsamma som röntgenstrålar. Under sin fortsatta forskning visade forskaren att det finns tre typer av strålning som material kan avge – neutral, positivt laddad och negativ laddad. Baserat på dessa antaganden lade efterföljande forskare fram sina teser och genomförde ytterligare experiment. Maria Skłodowska Curie och Pierre Curie upptäckte nästa radioaktiva grundämnen: polonium och radium. Ernest Rutherford, en nobelpristagare i kemi , ägnade också en del av sin karriär åt radioaktivitet och namngav de typer av strålning som upptäcktes av Becquerel med de grekiska bokstäverna i alfabetet: alfa, beta och gamma.

Var kommer radioaktivitet ifrån?

Forskning har visat att radioaktivitet är en egenskap hos vissa grundämnen. Detta indikerar dess nära samband med deras atomnivå, och mer specifikt – med atomkärnan. Var och en av de tre typerna av strålning är ett energikvantum som en instabil kärna kan avge. Detta betyder att strålningen faktiskt är resultatet av deras förfall. Förekomsten av sådana instabila kärnor orsakas i praktiken av deras förhållande mellan protoner och neutroner. På grund av de olika typerna av instabilitet finns det också olika typer av strålning. Nyckeln till att förstå radioaktivitet är isotoper och deras skillnader på atomnivå. Till exempel är den vanligaste kolisotopen ¹² C inte radioaktiv, medan ¹⁴ C är radioaktiv. Deras atomnummer , och därför antalet protoner, är detsamma. Skillnaden kan inte heller bero på antalet elektroner, eftersom atomen då skulle vara en positivt eller negativt laddad jon. Den enda möjligheten, när det gäller isotoper, är skillnader i antalet neutroner i kärnan. ¹⁴ C har två fler neutroner än ¹² C, så det är också tyngre. Förekomsten av isotoper för alla grundämnen gör att antalet radioaktiva kärnor också är stort. Sådana instabila och radioaktiva isotoper kallas radioisotoper, men deras förekomst är inte lika hög som de som syns i det periodiska systemet för grundämnen .

Varför kan kärnan vara instabil?

Protonerna och neutronerna i kärnan utsätts för stora kärnkrafter som håller ihop dem och övervinner den elektrostatiska repulsionen mellan protonerna. Till skillnad från protoner har neutroner en positiv effekt på att stärka kärnkraften. Det visades att förhållandet mellan antalet neutroner och protoner borde vara cirka 1,5:1. För lättare atomer under 20u är det stabila förhållandet 1:1. Annars tenderar kärnorna att sönderfalla. Alla isotoper av grundämnen med en atomvikt över 208 är instabila.

Bild 1 Graf över stabilitetsområdet beroende på antalet nukleoner i kärnan. Källa: http://ch302.cm.utexas.edu/nuclear/radioactivity/selector.php?name=band-stability

1. Alfa-sönderfall, särskilt i massiva kärnor, avger två protoner och två neutroner,
2. Beta minus sönderfall, när kärnan har för få protoner, vilket resulterar i emission av elektroner,
3. Beta plus sönderfall, om atomkärnan har ett överskott av protoner, med emission av positroner.

Dessa typer av sönderfall innebär en förändring av antalet protoner i kärnan, och därför också en förändring av det kemiska elementet från en till en annan.

Alfa (α) strålning

Experimentellt visade E. Rutherford och T. Royds 1909 att alfapartiklar är identiska med heliumjoner. Efter att ha passerat alfastrålningen genom de tunna väggarna i en vakuumkammare bekräftade bilden av spektrallinjerna på den optiska spektrometern som erhölls i gaskammaren detta tydligt. Till exempel genomgår kärnan ²⁴⁰ Pu alfastrålning, enligt reaktionen: Alfastrålning kännetecknas av positivt laddade partiklar med en räckvidd på flera centimeter i luft och mycket låg permeabilitet. Ett papper kommer att stoppa dem.

Beta (β) strålning

Vid beta-minusstrålning emitteras elektroner som kommer från kärnan. Eftersom kärnor inte kännetecknas av närvaron av elektroner, bildas de endast under sönderfall, och utöver dem emitteras också en andra partikel – elektronen anti-neutrino. På grund av ökningen av antalet protoner i molekylen omvandlas det beta-sönderfallande elementet till ett annat grundämne med ett högre atomnummer. Ett exempel på ett sönderfallsförlopp överensstämmer med denna mekanism: Denna strålning kännetecknas av negativt laddade partiklar med en räckvidd på flera dussin centimeter i luften och större permeabilitet jämfört med alfastrålning. Den stoppas av en aluminiumplåt med en tjocklek på cirka 3 till 4 mm. Beta-plus-sönderfall sker på liknande sätt, men det avger positronpartiklar och elektronneutriner. Antalet protoner i kärnan minskar och grundämnet som genomgår det omvandlas till ett annat med ett lägre atomnummer, som i exemplet:

Gamma (γ) strålning

Det är den enda typen av strålning som inte förändrar ett grundämne till ett annat, eftersom det inte avger några partiklar, bara gammastrålning i sig. Det är en av typerna av elektromagnetiska vågor, på samma sätt som infrarött eller ultraviolett ljus, men gammastrålningsvågen är den kortaste. Nedbrytningsprocessen orsakar övergången av atomens exciterade kärna till ett tillstånd med lägre energi, vilket resulterar i emission av fotoner med energiekvivalenten till atomkärnan i enskilda tillstånd. Diagrammet över förloppet av gammasönderfall kan skrivas som: Det kännetecknande för gammastrålning är dess identifiering med en elektromagnetisk våg av hög frekvens och ljusliknande natur. Räckvidden i luft är teoretiskt obegränsad, medan permeabiliteten är den största av alla typer av radioaktivitet. Den stoppas endast av en tjock vägg eller ett femton centimeter lager bly.